“燃”情无限——煤燃烧国家重点实验室

隶属于华中科技大学能源与动力工程学院的煤燃烧国家重点实验室始建于1986年，于1991年6月通过国家验收，是我国首批建设的国家开放型重点实验室，也是我国煤燃烧领域唯一的国家重点实验室。作为国家科技创新体系的重要组成部分，实验室不仅是国家级的从事煤的高效低污染利用的基础理论研究、面向国民经济主战场的技术开发和高层次专业技术人才培养的基地，也是国家组织高水平基础研究和应用基础研究、聚集和培养优秀科学家、开展学术交流的重要基地。

实验室以高效、清洁、低碳、安全的燃料燃烧和能源利用的理论和技术为核心，主要研究方向包括：燃料特性与湍流反应流体力学，能源利用中的污染物生成机理与防治，热能转换与先进利用，热力设备与系统的诊断、优化与综合评价。目前，实验室在这些前沿领域开展了一系列富有特色的研究工作，取得了一批创新性的研究成果。

面向国家重大需求

煤炭是我国最主要的一次能源，煤燃烧是最重要的煤炭利用方式。煤燃烧国家重点实验室立足国家主要能源煤炭的转化利用与环境保护重大需求，致力于以煤为代表的化石能源和以生物质为代表的可再生能源的燃烧和转化过程及其污染物生成和控制的应用基础研究，促进清洁高效低碳能源利用技术和装备的开发，服务国家经济、社会和环境的可持续发展。

煤燃烧国家重点实验室

跨尺度流动与传热机理研究是能源、环境、物理、力学等诸多学科的研究前沿，也是燃煤可吸入颗粒物排放与控制、CO2地质封存及强化驱油驱气等国家重大需求领域的共性基础科学问题。由于涉及到宽谱的时空尺度，常规连续模型和微观分子模型对此类复杂输运过程有很大的限制，因此构建高效可靠的跨尺度流动与传热数值模型一直是当前该领域的挑战性难题。

实验室在此方向开展了长期的系统性研究，针对跨尺度流动与传热中常规方法难以描述大时空尺度跨度的困难，实验室研究人员从流体分子的介观动理学输运理论出发，构建了一类新型的跨尺度流动传热数值模型-DUGKS。该方法可根据流动的局部尺度信息自适应地动态演变，跨越从自由分子流到连续流动。在此方法的基础上，实验室开发了基于DUGKS的跨尺度流动传热计算平台（dugksFoam），并研究了非连续条件下若干由温差驱动的非平衡热流问题。

实验室提出的DUGKS方法以分子动理学的Boltzmann理论为基础，属于介观模型，克服了微观方法和宏观方法的根本性限制，可以自适应地描述跨尺度流动与传热的动态演变过程，从而为研究跨尺度流动传热这类复杂物理过程的机理提供了可靠高效的研究手段。此方法已得到美、英、法、德等国家同行学者的跟踪，被应用于湍流、温室气体地质封存、非常规油气藏开发、航空航天等领域，被法国航空航天国家实验室的学者在文中评价为“所提方法改变了研究现状”。

聚焦国内重大挑战

全国燃煤电厂超低排放已完成大半，燃煤电厂排放的SOx、NOx、烟尘等常规污染物已经处于很低的水平，与此同时，以汞为代表的非常规污染物也逐渐进入人们的视野，对燃煤产生的汞有效控制是当前乃至未来相当长时期内中国所面临的一项挑战性任务。而燃煤汞的排放控制机理与技术研发就是实验室在能源利用中的污染物生成机理与防治技术研究领域的重点研究项目。

多年来，实验室围绕汞的反应机理、单项脱汞技术、污染物联合脱除这些问题进行了系统深入的研究。基于实际燃煤烟气体系中汞的均相和非均相反应机理的研究，实验室建立了实际燃煤烟气中多催化活性组分耦合的多相反应动力学模型，发展了适合非均相催化燃烧反应表面活性位密度计算的方法，提出了温度系数的概念，构建非均相反应化学与温度之间的本构关系式，详细阐释反应温度对汞氧化反应的影响机制，为实现燃烧中汞向易于控制形态的转化奠定了理论基础，对燃煤汞的强化氧化脱除控制技术的实施具有非常重要的科学意义和实用价值。

除此之外，实验室还将基于密度泛函理论的第一性原理计算，应用到烟气中Hg0在吸附剂表面的非均相吸附和氧化机理的研究中来，对反应机理进行更深层次的揭示；发展了基于最高占据分子轨道和最低未占据分子轨道的汞吸附剂筛选方法，可以有效地筛选表面反应活性较强的吸附剂，为吸附剂材料的筛选奠定基础；形成了脱汞吸附剂的批量制备技术，为基于磁珠的可再生吸附脱汞技术示范奠定了基础。

燃煤PM2.5的排放和控制研究是实验室在能源利用中的污染物生成机理与防治技术研究领域的另一研究重点，燃煤是PM2.5的主要排放源之一，对燃煤产生的PM2.5有效控制也是当前乃至未来相当长时期内中国所面临的一项挑战性任务，而相关控制技术的开发，取决于对其生成与迁移机制的认知程度。近几十年来，国内针对颗粒物的研究已经取得一定进展，但是对PM2.5的排放及控制尚缺乏深入的理解和准确的理论描述，难以满足控制技术进一步发展的需求。

针对当前燃煤电站常用静电除尘器等烟气净化设备对PM2.5的脱除效率远低于对粗颗粒的脱除效率，不能满足现行“超低排放”要求的现状，实验室转换传统思路，强调了从“源头”对燃煤PM2.5进行控制，在燃烧过程中“切断”PM2.5生成途径的核心思想。在研究前期工作基础上，实验室突破常规PM2.5吸附剂吸附容量低、减排效率有限等局限，建立了PM2.5吸附剂物化特性的优化原则；通过不同吸附剂的科学调配、插层改性、化学浸渍等物理化学方法研发高效吸附剂的定向设计/改性方法，开发更加高效、适应性强的PM2.5吸附剂；通过引入水处理絮凝团聚理论，发明了化学团聚细颗粒PM2.5的团聚促进新技术；通过促进细颗粒物团聚长大，有效提高现有除尘设备的除尘效率，突破了利用脱硫塔除尘实现超低排放的瓶颈，成功实现低成本的超低排放。

站在国际学科前沿

经过近30年的建设，煤燃烧国家重点实验室装备了众多先进分析测试仪器和实验平台，现具备燃烧过程解析、火焰全息诊断、重金属实时监测等众多先进测试技术和高端分析仪器，拥有富氧燃烧碳捕集、生物质热解多联产、化学链燃烧等多个大型中试实验平台和种类齐全的燃烧试验台架，为开展深入的能源与环境相关领域应用基础研究和技术开发、为高层次人才培养和高水平合作研究提供了良好的平台。

截至目前，实验室在煤燃烧领域已经取得了丰硕的理论和技术创新成果：发表高水平学术论文1911篇，其中SCI收录论文966篇、EI收录论文1279篇；授权发明专利185项（其中国际2项）、软件知识产权16项，成果转让2820万元；出版著作14部、其中国际著作8部；获得省部级以上科技奖励17项。其中包括国家自然科学奖二等奖、国家技术发明奖二等奖、国家科技进步奖二等奖、国际燃烧会议“杰出论文奖”、联合国工业发展组织(UNIDO)蓝天奖、IEEECPMT学会杰出技术贡献奖等。

如今，煤燃烧国家重点实验室在国内外学术界和工业界已经有着广泛深入的影响，不仅先后被本学科领域顶尖综述性学术期刊Progress in Energy and Combustion Science列为“世界上有重要影响的13个煤燃烧研究基地之一”和“世界上最有影响的15个富氧燃烧低碳利用基础研究团队之一”，还与煤燃烧领域多个国际著名研究机构签署了联合实验室协议，与美国麻省理工学院、日本东京工业大学等世界一流大学开展长期学术交流与合作，成为国际学术界本领域最活跃的研究机构之一。

在未来，实验室将继续响应国家重大需求，立足于已经取得的成就之上，持续加强学科交叉与融合，推进基础研究及技术应用不断深入、研究领域不断扩展，为国家和时代的发展贡献更多的力量。